JP4677377B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、時間遅延積分方式（ＴＤＩ方式）を用いた固体撮像装置に関する。

近年、画像表示による表現が種々の分野で求められ、複写機、ファクシミリ、ＯＣＲ（Optical Character Reader）、オプティカルスキャナなどを用いて、対象画像を読み取り、画像信号を他の媒体に転換することが行われる。このような機器には、1次元或いは２次元の画像を読み取る固体撮像装置としてのＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサが搭載される。一般に用いられる固体撮像装置としての１次元型のＣＣＤラインセンサに対して、感度、走査速度、ＳＮ（信号対雑音）比の特性を向上させる目的でＴＤＩ（Time Delay Integration）方式が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１などに記載されているＴＤＩ方式の固体撮像装置としてのＣＣＤイメージセンサでは、入射光を受けて光電変換により光を電子に変換するフォトダイオード等からなる画素が複数個直線状（列状）に配置形成されている。画素列と画素列の間には電荷を転送する転送ゲートが設けられ、画素列と転送ゲートは平行配置されている。画素読み取り装置の解像度は、画素列方向と画素列に垂直な方向で通常同じに設定されている。このため、画素列内の画素ピッチと画素列間のピッチを同一に設定する必要がある。固体撮像装置としてのＣＣＤイメージセンサに対して高解像度が要求された場合、走査線ピッチが縮小化されるので画素列に垂直な方向の画素開口幅が、転送ゲートがあるので狭まり、感度と飽和電荷量が低下するという問題点がある。
特開平８−１８８６７号公報（頁５、図８）

本発明は、高解像度でも画素の感度を最大限とることができる固体撮像装置及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様の固体撮像装置は、入射光を光電変換する第１の画素が列状に複数形成される第１の画素列と、入射光を光電変換する第２の画素が列状に複数形成され、前記第１の画素列とは隣接して平行配置される第２の画素列と、前記第１の画素列の前記第２の画素列とは反対側に隣接配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を転送する第１の転送ゲートと、前記第２の画素列の前記第１の画素列とは反対側に隣接配置され、前記第２の画素で生成される信号電荷を転送する第２の転送ゲートと、前記第１の転送ゲートに隣接配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を第１の転送ゲートを介して入力して蓄積する蓄積部が列状に複数形成される蓄積部列と、前記蓄積部列に隣接配置され、前記蓄積部に蓄積される信号電荷を転送する第３の転送ゲートと、前記第３の転送ゲートに隣接配置され、前記蓄積部に蓄積される信号電荷を前記第３の転送ゲートを介して入力する第１のＣＣＤシフトレジスタと、前記第２の転送ゲートに隣接配置され、前記第２の画素で生成される信号電荷を前記第２の転送ゲートを介して入力する第２のＣＣＤシフトレジスタと、前記第１のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷、及び前記第２のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷を加算処理する加算処理部と、加算処理された信号電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部とを具備し、前記第３の転送ゲートに入力される信号のゲート開け閉めタイミングを変更することにより、前記第１のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷、及び前記第２のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷が前記加算処理部に入力される場合と、前記第２のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷が前記加算処理部に入力される場合のいずれかを選択できることを特徴とする。

本発明によれば、高解像度でも画素の感度を最大限とることができる固体撮像装置及びその制御方法を提供することができる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施例１に係る固体撮像装置及びその制御方法について、図面を参照して説明する。図１は固体撮像装置としてのＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサを示すブロック図、図２は画素列を示す平面図、図３は従来の画素列を示す平面図である。本実施例では、画素列と画素列の間に設けられる転送ゲートを削除している。

図１に示すように、ＴＤＩ（Time Delay Integration）方式を用いたＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサ３０には、第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、第２のＣＣＤシフトレジスタ１１、及び最終段ゲート部１２が設けられている。ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサ３０は、ＣＣＤラインセンサとも呼称され、複写機、ファクシミリ、ＯＣＲ、或いはオプティカルスキャナなどに適用される。

第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、及び第２のＣＣＤシフトレジスタ１１は、図中左右方向に互いに離間され、それぞれ平行配置される。

ここで、読み取る画像の移動方向は、まず第１の画素列１の画素を読み取り、次に、相対向する第２の画素列２の画素を読み取る。

第１の画素列１は、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６と第２の画素列２の間に設けられ、ｎ個の画素１−１、・・・、画素１−ｎから構成される。画素１−１、・・・、画素１−ｎは、入射光を入力して光電変換された信号電荷を蓄積する、例えばシリコンフォトダイオードから構成され、互いに離間され、それぞれ図中横方向に平行配置される。

第２の画素列２は、第１の画素列１とＳＨ２ゲート５の間に設けられ、ｎ個の画素２−１、・・・、画素２−ｎから構成される。画素２−１、・・・、画素２−ｎは、入射光を入力して光電変換された信号電荷を蓄積する、例えばシリコンフォトダイオードから構成され、互いに離間され、それぞれ図中横方向に平行配置される。ここで、第１の画素列１を構成する画素（例えば、画素１−１）と第２の画素列２を構成する画素（例えば、画素２−１）とは、同一形状を有し、互いに離間され、相対向して配置されている。なお、読み取る画像の方向は、図中上側から下側に移動する。即ち、画像情報は第１の画素列１の画素で読み取られてから、第２の画素列２の画素で読み取られ、画像の同じ位置を複数回読み取る。

蓄積部列３は、ＳＨ１ゲート４と第２の転送ゲート（ＴＤ２）の間に設けられ、ｎ個の蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎから構成される。蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎは、互いに離間され、それぞれ図中横方向に平行配置される。蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎは、第１の転送ゲート６及び第２の転送ゲート７を介して転送され、第１の画素列１の画素で発生される信号電荷を蓄積する。ここで、蓄積部列３を構成する蓄積部（例えば、蓄積部３−１）と第１の画素列を構成する画素（例えば、画素１−１）とは、互いに離間され、相対向して配置されている。

ＳＨ１ゲート４は、転送ゲートとして動作し、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０と蓄積部列３の間に設けられ、蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎに蓄積される信号電荷を第１のＣＣＤシフトレジスタ１０に転送する。ここで、ＳＨ１ゲート４は、転送される信号電荷が逆流しないように、例えば蓄積部列３側の電位の井戸であるポテンシャルウエルを第１のＣＣＤシフトレジスタ１０側のポテンシャルウエルよりも浅く形成するのが好ましい。ここでは、ポテンシャルウエルを２つ形成しているが、３つ以上形成してもよい。この場合、蓄積部列３側から第１のＣＣＤシフトレジスタ１０側になるほどポテンシャルウエルを深くするのが好ましい。

ＳＨ２ゲート５は、転送ゲートとして動作し、第２の画素列２と第２のＣＣＤシフトレジスタ１１の間に設けられ、画素２−１、・・・、画素２−ｎに生成される信号電荷を第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送する。ここで、ＳＨ２ゲート５は、転送される信号電荷が逆流しないように、例えば第２の画素列２側の電位の井戸であるポテンシャルウエルを第２のＣＣＤシフトレジスタ１１側のポテンシャルウエルよりも浅く形成するのが好ましい。ここでは、ポテンシャルウエルを２つ形成しているが、３つ以上形成してもよい。この場合、第２の画素列２側から第２のＣＣＤシフトレジスタ１１側になるほどポテンシャルウエルを深くするのが好ましい。

第１の転送ゲート（ＴＤ１）６は、第２の転送ゲート７と第１の画素列１の間に設けられ、画素１−１、・・・、画素１−ｎに生成される信号電荷を第２の転送ゲート７に転送する。ここで、第１の転送ゲート６（ＴＤ１）は、転送される信号電荷が逆流しないように、例えば第１の画素列１側の電位の井戸であるポテンシャルウエルを第２の転送ゲート７側のポテンシャルウエルよりも浅く形成するのが好ましい。ここでは、ポテンシャルウエルを２つ形成しているが、３つ以上形成してもよい。この場合、第１の画素列１側から第２の転送ゲート７側になるほどポテンシャルウエルを深くするのが好ましい。

第２の転送ゲート（ＴＤ２）７は、蓄積部列３と第１の転送ゲート（ＴＤ１）６の間に設けられ、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６から転送され、画素１−１、・・・、画素１−ｎに生成される信号電荷をそれぞれ蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎに転送する。ここで、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６から転送される信号電荷を蓄積部列３に転送しやすいように、例えば第２の転送ゲート（ＴＤ２）７のポテンシャルを第１の転送ゲート（ＴＤ１）６の第２の転送ゲート（ＴＤ２）７側のポテンシャルと同等もしくは深く形成するのが好ましい。

第１のＣＣＤシフトレジスタ１０は、制御信号φ１及びφ２を入力し、ＳＨ１ゲート４を介して蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎから転送される信号電荷を制御信号φ１及びφ２にもとづいて、出力側の最終段ゲート部１２に順次転送する。例えば、画素１−１で光電変換された信号電荷は、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７を介して転送され、蓄積部３−１に蓄積され、蓄積部３−１に蓄積された信号電荷はＳＨ１ゲート４を介して第１のＣＣＤシフトレジスタ１０に転送される。

第２のＣＣＤシフトレジスタ１１は、制御信号φ１及びφ２を入力し、ＳＨ２ゲート５を介して画素２−１、・・・、画素２−ｎから転送される信号電荷を制御信号φ１及びφ２にもとづいて、出力側の最終段ゲート部１２に順次転送する。例えば、画素１−１と相対応する画素２−１で光電変換された信号電荷は、ＳＨ２ゲート５を介して第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送される。

最終段ゲート部１２は、信号電荷を加算処理する加算処理部と加算処理された信号電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部から構成されている。加算処理部では第１のＣＣＤシフトレジスタ１０から転送された信号電荷（例えば画素１−１で生成された信号電荷）と第２のＣＣＤシフトレジスタ１１から転送された信号電荷（例えば画素２−１で生成された信号電荷）を、制御信号φ１と同じ波形を有する制御信号φ１ａにもとづいて加算処理を行う。電荷電圧変換部では加算処理された信号電荷を電圧信号に変換し、出力信号ＲＳとして出力する。

ここで、制御信号φ１、制御信号φ１ａ、制御信号φ２、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７は、例えばタイミング発生回路で生成され、制御信号φ２は制御信号φ１及び制御信号φ１ａの反転信号である。第１のＣＣＤシフトレジスタ１０及び第２のＣＣＤシフトレジスタ１１は、例えば制御信号φ１が“Ｈｉｇｈ”レベル、制御信号φ２が“Ｌｏｗ”レベルのときに、信号電荷を出力側の最終段ゲート部１２に転送する。

図２に示すように、第１の画素列１を構成する画素１−１、画素１−２、画素１−３、画素１−４、・・・と、第２の画素列２を構成する画素２−１、画素２−２、画素２−３、画素２−４、・・・は、画素横方向寸法（画素開口横方向寸法）がＸ１で、画素縦方向寸法（画素開口縦方向寸法）がＹ１で、図中横方向及び縦方向の画像読み取りピッチがＬｐで形成されている。

ここで、横方向の画像読み取りピッチＬｐは、画素の横方向の寸法の中心から隣接する画素の横方向の寸法の中心までの間隔である。一方、縦方向の画像読み取りピッチＬｐは、
Lp＝2×(Y1／2)＋ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１）
で表される。なお、ａは縦方向の画素間隔である。

図３に示すように、従来の画素列では、第１の画素列１ａと第２の画素列２ａの間に転送ゲート８が設けられる。第１の画素列１ａを構成する画素１−１ａ、画素１−２ａ、画素１−３ａ、画素１−４ａ、・・・と、第２の画素列２ａを構成する画素２−１ａ、画素２−２ａ、画素２−３ａ、画素２−４ａ、・・・は、画素横方向寸法（画素開口横方向寸法）がＸ１ａで、画素縦方向寸法（画素開口縦方向寸法）がＹ１ａで、図中横方向及び縦方向の画像読み取りピッチがＬｐで形成されている。

ここで、横方向の画像読み取りピッチＬｐは、画素の横方向の寸法の中心から隣接する画素の横方向の寸法の中心までの間隔である。一方、縦方向の画像読み取りピッチＬｐは、
Lp＝2×(Y1a／2)＋ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（２）
で表される。なお、ｂは転送ゲート幅である。転送ゲート８は、画素で生成される信号電荷を効率的に転送するために配置形成される。

式（１）と式（２）を比較すると、従来の画素では本実施例に比べ、縦方向の画素開口領域寸法が減少することがわかる。ここで減少分の寸法Ｌｇは、
Lg＝ｂ−ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（３）
で表される。ｂ＞＞ａであるから、
Lg≒b ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（４）
で表される。

ここで、ＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサを高解像度対応で使用する場合、画像読み取りピッチＬｐを狭くする必要がある。画像読み取りピッチＬｐを狭くすると、従来の画素列の配置では、縦方向の画素開口領域寸法が大幅に減少し、感度と飽和電荷量が低下するという問題点が発生する。一方、本実施例では画素列と画素列の間に転送ゲートがなく、画素間隔ａだけで画素列が離間されているので、高解像度でも画素の感度を最大限とることができる。

次に、ＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサの動作について図４を参照して説明する。図４はＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサの動作を示すタイミングチャートである。

図４に示すように、制御信号φ１が“Ｌｏｗ”レベルで、制御信号φ２が“Ｈｉｇｈ”レベルである期間（期間Ｔ１の前、ＣＣＤシフトレジスタが転送動作をしていない期間）では、蓄積部列３の蓄積部に第１の転送ゲート（ＴＤ１）６及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）を介して第１の画素列１の画素から転送された信号電荷が蓄積される。

次に、制御信号φ１が“Ｌｏｗ”レベルから“Ｈｉｇｈ”レベル、制御信号φ２が“Ｈｉｇｈ”レベルから“Ｌｏｗ”レベルに変化し（ＣＣＤシフトレジスタが転送動作を開始できるようになる）、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６が“Ｈｉｇｈ”レベルから“Ｌｏｗ”レベルに切り替わった後の期間Ｔ５と次の繰り返しのＴ５までの期間（画素１−１から画素１−ｎに生成された信号電荷が第１のＣＣＤシフトレジスタ１０から転送されるまでの期間）で、第１の画素列１の画素に入射光が入射されて信号電荷が生成され、第２の画素列２の画素に入射光が入射されて信号電荷が生成される。

続いて、ＳＨ１ゲート４に“Ｈｉｇｈ”レベルの信号が入力されると（期間Ｔ２の間、“Ｈｉｇｈ”レベルの信号が入力）、ＳＨ１ゲート４は、蓄積部列３の蓄積部に蓄積されている信号電荷を第１のＣＣＤシフトレジスタ１０に転送を開始する。

そして、ＳＨ１ゲート４に“Ｌｏｗ”レベルの信号が入力され、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）６に“Ｈｉｇｈ”レベルの信号が入力されるまでの期間Ｔ３では、蓄積部列３の蓄積部に蓄積されている信号電荷が第１のＣＣＤシフトレジスタ１０に転送され、蓄積部列３の蓄積部に信号電荷がなくなる。

次に、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に“Ｈｉｇｈ”レベルの信号が入力され、ＳＨ２ゲート５及び第１の転送ゲート（ＴＤ１）６に“Ｌｏｗ”レベルの信号が入力されるまでの期間Ｔ４では、第１の画素列１の画素で生成された信号電荷が第１の転送ゲート（ＴＤ１）６及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に転送され始める。並行して、第２の画素列２の画素で生成された信号電荷がＳＨ２ゲート５及び第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送され始める。

続いて、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に“Ｌｏｗ”レベルの信号が入力されるまでの期間Ｔ５では、第１の画素列１の画素で生成された信号電荷が、例えば第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に転送され、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６及び第１の画素列１の画素には信号電荷がなくなる。また、第２の画素列２の画素で生成された信号電荷が第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送され、ＳＨ２ゲート５及び第２の画素列２の画素には信号電荷がなくなる。

そして、制御信号φ１が“Ｌｏｗ”レベル、制御信号φ２が“Ｈｉｇｈ”レベルに変化するまでの期間Ｔ６では、第１の画素列１の画素で生成された信号電荷が蓄積部列３の蓄積部に蓄積され、第１の画素列１の画素、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７及には信号電荷がなくなる。

また、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０から転送された蓄積部列３の蓄積部の信号電荷と、第２のＣＣＤシフトレジスタ１１から転送された第２の画素列２の画素の信号電荷とは、最終段ゲート部１２で“Ｈｉｇｈ”レベルの制御信号φ１ａにもとづいて加算処理される。加算処理された信号電荷は電圧信号に変換されて出力信号ＲＳとして最終段ゲート部１２から出力される。

なお、蓄積部列３の蓄積部の信号電荷とこの蓄積部と相対向する第２の画素列２の画素の信号電荷は、制御信号φ１が“Ｌｏｗ”レベルから“Ｈｉｇｈ”レベルに、制御信号φ２が“Ｈｉｇｈ”レベルから“Ｌｏｗ”レベルに変化する毎に、出力信号ＲＳとして最終段ゲート部１２から順次転送出力される。

上述したように、本実施例の固体撮像装置及びその制御方法では、第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、第２のＣＣＤシフトレジスタ１１、及び最終段ゲート部１２が設けられている。第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、及び第２のＣＣＤシフトレジスタ１１は、互いに離間され、それぞれ平行配置される。第１の画素列１を構成する画素は第２の画素列２を構成する画素と相対向して平行配置される。第１の画素列の画素で生成される信号電荷を蓄積部列３の蓄積部に転送する第１の転送ゲート（ＴＤ１）６及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７は、第２の画素列２を構成する画素とは反対側に、第１の画素列を構成する画素に隣接して設けられる。第２の画素列の画素で生成される信号電荷を第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送するＳＨ２ゲート５は、第１の画素列１を構成する画素とは反対側に、第２の画素列を構成する画素に隣接して設けられる。

このため、ＣＣＤイメージセンサの高解像度対応の場合、走査線ピッチが縮小化され垂直な方向の画素開口幅が狭まっても、感度と飽和電荷量の低下を抑制することができ、高解像度でも従来よりも画素の感度を最大限とることができる。

なお、本実施例では、画素１−１、・・・、画素１−ｎで生成された信号電荷を第１の転送ゲート（ＴＤ１）６と第２の転送ゲート（ＴＤ２）７を用いて、それぞれ蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎに転送しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、１つの転送ゲートを用いて転送してもよい。その場合、信号電荷の逆流を防止するために、画素１−１、・・・、画素１−ｎ側のポテンシャルウエルを蓄積部３−１、・・・、蓄積部３−ｎ側よりも浅く形成するのが好ましい。

次に、本発明の実施例２に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。図５は固体撮像装置としてのＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサを示すブロック図である。本実施例では、転送された信号電荷を加算して電圧信号に変換する部分を変更している。

以下、実施例１と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。

図５に示すように、ＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサ３０ａには、第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、第２のＣＣＤシフトレジスタ１１、及びフローティングジャンクション部１３が設けられている。ＣＣＤイメージセンサ３０ａは、ＣＣＤラインセンサとも呼称され、複写機、ファクシミリ、ＯＣＲ、或いはオプティカルスキャナなどに適用される。

フローティングジャンクション部１３は、信号電荷を加算処理する加算処理部と加算処理された信号電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部から構成されている。加算処理部では、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０から転送された信号電荷（例えば画素１−１で生成された信号電荷）と第２のＣＣＤシフトレジスタ１１から転送された信号電荷（例えば画素２−１で生成された信号電荷）とを加算処理する。電荷電圧変換部では加算処理された信号電荷を電圧信号に変換し、出力信号ＲＳとして出力する。

上述したように、本実施例の固体撮像装置では、第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、第２のＣＣＤシフトレジスタ１１、及びフローティングジャンクション部１３が設けられている。第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、及び第２のＣＣＤシフトレジスタ１１は、互いに離間され、それぞれ平行配置される。第１の画素列１を構成する画素は第２の画素列２を構成する画素と相対向して平行配置される。第１の画素列の画素で生成される信号電荷を蓄積部列３の蓄積部に転送する第１の転送ゲート（ＴＤ１）６及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７は、第２の画素列２を構成する画素とは反対側に、第１の画素列を構成する画素に隣接して設けられる。第２の画素列の画素で生成される信号電荷を第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送するＳＨ２ゲート５は、第１の画素列１を構成する画素とは反対側に、第２の画素列を構成する画素に隣接して設けられる。

このため、ＣＣＤイメージセンサの高解像度対応の場合、走査線ピッチが縮小化され垂直な方向の画素開口幅が狭まっても、感度と飽和電荷量の低下を抑制することができ、高解像度でも従来よりも画素の感度を最大限とることができる。

次に、本発明の実施例３に係る固体撮像装置の制御方法について、図面を参照して説明する。図６はＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサの動作を示すタイミングチャートである。本実施例では、ＣＣＤイメージセンサの読み取り方法を変更している。

以下、実施例１と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。

ＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサ３０では、図６に示すように、制御信号φ１が“Ｌｏｗ”レベルで、制御信号φ２が“Ｈｉｇｈ”レベルである期間（期間Ｔ１ａの前、ＣＣＤシフトレジスタが転送動作をしていない期間）では、実施例１とは異なり蓄積部列３の蓄積部には信号電荷が蓄積されていない。そして、第１の画素列１の画素に入射光が入射されて信号電荷が生成され、第２の画素列２の画素に入射光が入射されて信号電荷が生成される。

次に、制御信号φ１が“Ｌｏｗ”レベルから“Ｈｉｇｈ”レベル、制御信号φ２が“Ｈｉｇｈ”レベルから“Ｌｏｗ”レベルに変化し（ＣＣＤシフトレジスタが転送動作を開始できるようになる）、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に“Ｈｉｇｈ”レベルの信号が入力されてからＳＨ２ゲート５及び第１の転送ゲート（ＴＤ１）６に“Ｌｏｗ”レベルの信号が入力されるまでの期間Ｔ２ａでは、第１の画素列１の画素で生成された信号電荷が第１の転送ゲート（ＴＤ１）６及び第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に転送され始める。並行して、第２の画素列２の画素で生成された信号電荷がＳＨ２ゲート５及び第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送され始める。

続いて、ＳＨ２ゲート５及び第１の転送ゲート（ＴＤ１）に“Ｌｏｗ”レベルの信号が入力されてから、ＳＨ１ゲート４に“Ｈｉｇｈ”レベルの信号が入力され、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に“Ｌｏｗ”レベルの信号が入力されるまでの期間Ｔ３ａでは、第１の画素列１の画素で生成された信号電荷が、例えば第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に転送され始める。また、第２の画素列２の画素で生成された信号電荷が第２のＣＣＤシフトレジスタ１１に転送され、ＳＨ２ゲート５及び第２の画素列２の画素には信号電荷がなくなる。

そして、ＳＨ１ゲート４に“Ｌｏｗ”レベルの信号が入力されるまでの期間Ｔ４ａでは、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７に第１の画素列１の画素で生成された信号電荷が転送されて、ＳＨ１ゲート４に“Ｈｉ”レベルの信号が入力されるまでの期間Ｔ３ａでは蓄積部列３の蓄積部には信号電荷が蓄積されないので、信号電荷がＳＨ１ゲート４及び第１のＣＣＤシフトレジスタ１０に転送され始める。

次に、ＳＨ１ゲート４が“Ｈｉ”レベルから“Ｌｏｗ”レベルに切り替わり、制御信号φ１が“Ｈｉｇｈ”レベルから“Ｌｏｗ”レベルに、制御信号φ２が“Ｌｏｗ”レベルから“Ｈｉｇｈ”レベルに変化するまでの期間Ｔ５ａでは、第１の画素列１の画素で生成された信号電荷が第１のＣＣＤレジスタ１０に転送され、蓄積部列３及びＳＨ１ゲート４には信号電荷がなくなる。

続いて、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０から転送された信号電荷（例えば画素１−１で生成された信号電荷）と第２のＣＣＤシフトレジスタ１１から転送された信号電荷（例えば画素２−１で生成された信号電荷）とを加算処理（ＴＤＩ方式とは異なる加算処理）をする。処理された信号電荷は電圧信号に変換されて出力信号ＲＳとして最終段ゲート部１２から出力される。この出力信号ＲＳは、実施例１と比較して画素解像度が１／２（画素縦方向寸法が２倍に拡大）に低下している。

なお、制御信号φ１が“Ｌｏｗ”レベルから“Ｈｉｇｈ”レベルに、制御信号φ２が“Ｈｉｇｈ”レベルから“Ｌｏｗ”レベルに変化する毎に、第２の画素列２の画素の信号電荷が電荷電圧変換され、出力信号ＲＳとして最終段ゲート部１２から順次転送出力される。

上述したように、本実施例の固体撮像装置の制御方法では、第１の画素列１、第２の画素列２、蓄積部列３、ＳＨ１ゲート４、ＳＨ２ゲート５、第１の転送ゲート（ＴＤ１）６、第２の転送ゲート（ＴＤ２）７、第１のＣＣＤシフトレジスタ１０、第２のＣＣＤシフトレジスタ１１、及び最終段ゲート部１２が設けられたＣＣＤイメージセンサでは、第１の画素列１の画素で生成され、蓄積部列３の蓄積部で蓄積される信号電荷を転送する役目をするＳＨ１ゲート４に入力される信号のゲート開け閉めのタイミングを変更可能にしている。

このため、ＣＣＤイメージセンサの高解像度対応の場合、走査線ピッチが縮小化され垂直な方向の画素開口幅が狭まっても、感度と飽和電荷量の低下を抑制することができ、高解像度でも従来よりも画素の感度を最大限とることができ、またＳＨ１ゲート４の信号を変更するだけで画素解像度を１／２にすることができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。

例えば、実施例３では、実施例１のＣＣＤイメージセンサ３０を用いて画素解像度が１／２に低下させているが、実施例２のＣＣＤイメージセンサ３０ａを用いて行ってもよい。

本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 入射光を光電変換する第１の画素が列状に複数形成される第１の画素列と、入射光を光電変換する第２の画素が列状に複数形成され、前記第１の画素列とは隣接して平行配置される第２の画素列と、前記第１の画素列の前記第２の画素列とは反対側に隣接配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を転送する第１の転送ゲートと、前記第２の画素列の前記第１の画素列とは反対側に隣接配置され、前記第２の画素で生成される信号電荷を転送する第２の転送ゲートと、前記第１の転送ゲートに隣接配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を第１の転送ゲートを介して転送する第３の転送ゲートと、前記第３の転送ゲートに隣接配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を第１及び第３の転送ゲートを介して入力して蓄積する蓄積部が列状に複数形成される蓄積部列と、前記蓄積部列に隣接配置され、前記蓄積部に蓄積される信号電荷を転送する第４の転送ゲートと、前記第４の転送ゲートに隣接配置され、前記蓄積部に蓄積される信号電荷を前記第４の転送ゲートを介して入力する第１のＣＣＤシフトレジスタと、前記第２の転送ゲートに隣接配置され、前記第２の画素で生成される信号電荷を前記第２の転送ゲートを介して入力する第２のＣＣＤシフトレジスタと、前記第１のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷、及び前記第２のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷を加算処理する加算処理部と、加算処理された信号電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部とを有するフローティングジャンクション部とを具備する固体撮像装置。

（付記２） 前記第１の画素と前記第２の画素は、同一形状、同一ピッチで形成される付記１記載の固体撮像装置。

（付記３） 前記第１の転送ゲートは、第１の画素列側のポテンシャルウエルを前記第３の転送ゲート側のポテンシャルウエルよりも浅くし、前記第２の転送ゲートは、第２の画素列側のポテンシャルウエルを前記第２のＣＣＤシフトレジスタ側のポテンシャルウエルよりも浅くし、前記第４の転送ゲートは、蓄積部列側のポテンシャルウエルを前記第１のＣＣＤシフトレジスタ側のポテンシャルウエルよりも浅くする付記１又は２に記載の固体撮像装置。

本発明の実施例１に係るＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサを示すブロック図。 本発明の実施例１に係る画素列を示す平面図。 本発明の実施例１に係る従来の画素列を示す平面図。 本発明の実施例１に係るＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサの動作を示すタイミングチャート。 本発明の実施例２に係るＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサを示すブロック図。 本発明の実施例３に係るＴＤＩ方式を用いたＣＣＤイメージセンサの動作を示すタイミングチャート。

符号の説明

１、１ａ 第１の画素列
２、２ａ 第２の画素列
１−１〜４、１−ｎ、２−１〜４、２−ｎ、１−１ａ〜４ａ、２−１ａ〜４ａ 画素
３ 蓄積部列
４ ＳＨ１ゲート
５ ＳＨ２ゲート
６ 第１の転送ゲート（ＴＤ１）
７ 第２の転送ゲート（ＴＤ２）
８ 転送ゲート
１０ 第１のＣＣＤシフトレジスタ
１１ 第２のＣＣＤシフトレジスタ
１２ 最終段ゲート部
１３ フローティングジャンクション部
３０、３０ａ ＣＣＤイメージセンサ
ａ 画素間隔
ｂ 転送ゲート幅
ｃ 画素と転送ゲート間距離
Ｌｐ 画像読み取りピッチ
ＲＳ 出力信号
Ｘ１、Ｘ１ａ 画素横方向寸法
Ｙ１、Ｙ１ａ 画素縦方向寸法
φ１、φ１ａ、φ２ 制御信号

Claims (2)

1. 入射光を光電変換する第１の画素が列状に複数形成される第１の画素列と、
   入射光を光電変換する第２の画素が列状に複数形成され、前記第１の画素列とは隣接して平行配置される第２の画素列と、
   前記第１の画素列の前記第２の画素列とは反対側に隣接配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を転送する第１の転送ゲートと、
   前記第２の画素列の前記第１の画素列とは反対側に隣接配置され、前記第２の画素で生成される信号電荷を転送する第２の転送ゲートと、
   前記第１の転送ゲートに隣接配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を第１の転送ゲートを介して入力して蓄積する蓄積部が列状に複数形成される蓄積部列と、
   前記蓄積部列に隣接配置され、前記蓄積部に蓄積される信号電荷を転送する第３の転送ゲートと、
   前記第３の転送ゲートに隣接配置され、前記蓄積部に蓄積される信号電荷を前記第３の転送ゲートを介して入力する第１のＣＣＤシフトレジスタと、
   前記第２の転送ゲートに隣接配置され、前記第２の画素で生成される信号電荷を前記第２の転送ゲートを介して入力する第２のＣＣＤシフトレジスタと、
   前記第１のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷、及び前記第２のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷を加算処理する加算処理部と、
   加算処理された信号電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、
   を具備し、前記第３の転送ゲートに入力される信号のゲート開け閉めタイミングを変更することにより、前記第１のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷、及び前記第２のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷が前記加算処理部に入力される場合と、前記第２のＣＣＤシフトレジスタから転送される信号電荷が前記加算処理部に入力される場合のいずれかを選択できることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１の転送ゲートと前記蓄積部列の間に配置され、前記第１の画素で生成される信号電荷を前記第１の転送ゲートを介して入力して前記蓄積部列に転送する第４の転送ゲートを更に具備することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。

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